邵长军，樊 怡，孙博扬，赵 涵，赵立慧

（1.国电宿迁热电有限公司，江苏 宿迁 223803；2.北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100039；3.华北电力大学，河北 保定 071003）

0 引言

随着数字化技术的变革和移动通讯技术的完善，大规模、高并发的火电厂数字化建设逐渐成为可能。由于火电设备长期处于高温、高压的运行环境下，设备检修难度大、危险系数高，故对火电厂高危设备建设完备、准确、可靠的数字化平台，能够及时地为检修、运行提供重要的辅助信息，进一步提高火电运行的安全性。

目前，提高火电机组自动化、信息化水平主要依赖分散控制系统（DCS）[1]，DCS 系统将数字信号转化为电信号在显示端转化为数字信号。虽然，DCS 解决了设备运行的分散控制问题，但是电信号传输抗干扰能力较弱，不能够很好实现对设备运行状况的故障预警。20 世纪以来，智能仪器的发展使电厂设备运行信号，可以使用数字信号进行存储，运行设备所需软件体量较大，传统的C/S 架构容易造成运行迟缓等情况。如何利用信息平台与现场总线技术（FCS）将数字信号进行汇总、展示，降低设备运行压力，提供有效的预警信息，是信息公司在实施中面临的重要问题。

为了解决上述问题，根据市场需求开发数字化预警平台。本文简述火电厂构建数字化预警平台进行知识式状态检修，利用工业万兆以太网与服务器，将设备信息实时展现至操作员电脑，运用浏览器实现对火电厂现场智能设备远程实时故障监控与预警，达到运行稳定、传输速率快，抗干扰能力强的目标。

1 B/S（Browser/Server）应用

1.1 B/S结构

目前为止，应用最为广泛的分布式数据库系统为客户机/服务器系统（C/S 系统）。其中，较为典型的是基于WEB 数据库的B/S（Browser/Server）结构。在这种结构下，操作员使用浏览器界面发出操作指令，浏览器将指令以超文本的形式向WEB 服务器发出数据库操作请求。WEB 服务器接收操作请求后，激活对应的操作程序，在程序验证请求的合法性后对数据库进行对应的数据处理，并将处理结果返回给应用程序[2]。应用程序将结果转化为超文本格式，并由服务器转发给请求方的服务器。

B/S 结构利用WEB 环境，简化了多用户终端的使用，使多终端界面操作成为可能。同时运行工作主要集中在服务器上，对客户机的运行压力较小，使客户端成为真正意义上的“瘦客户端”。因此，适合使用B/S 架构进行火电厂信息平台架构。

1.2 火电厂信息平台整体架构

对于B/S 结构在火电厂应用流程，需要结合具体的火电厂现场设备进行信息平台架构。首先，结合DCS 系统，汇总总线的设备数据，建立相关画面及逻辑。使用FCS 总线技术将数据进行解析与传输，形成数据流。数据流传输至信息机房后，经过隔离装置（网闸，目的在于使得数据流单向流动）进入接口机。通过接口机将数据导入SIS 交换机中，SIS 交换机将数据传入内网数据库以及其他接口机中。为了保证数据的完整性，将SIS 交换机中的数据利用隔离装置建立在数据库服务器中，同时建立在镜像服务器中。数据库服务器的数据导入应用服务器进行数据分析与处理，运用机器学习算法，实现现场总线控制状态监测、故障监测统计以及现场总线设备状态分析，利用建立设备故障状态的数据模型的方式，通过专家诊断系统给出预警信号以及处理指导意见，将相关信息传入WEB 服务器利用发布平台进行前端展示。相关的平台服务器、网闸的架构示意见图1。

图1 服务器与网闸架构示意图Fig.1 Diagram of the server and gate architect ure

2 数字化预警平台设计与实现

数字化预警平台基于已有的DCS 现场总线系统网络，由设备层、采集层、传输层、隔离层、后台服务层、展示层等几部分构成，如图2 所示。系统具有单向传输的特征，即现场总线的数据可以传送出来，外部的数据不能回传给总线，分别在软件和硬件层面加以限制以保证现场控制系统的安全。设备层即现场的各类总线设备，包含DP 设备和PA 设备；采集层由和总线并联的采集模块构成，负责总线数据的抓取和封装；传输层负责现场数据向上层系统的传输工作，包括光纤传输和以太网传输两种方式；隔离层采用单向隔离网闸实现数据通讯单向隔离；后台服务层包含接口机和服务器两个部分，接口机部署数据解析接口；服务器安装有数据库和WEB 应用服务器；展示层以友好的界面提供展示、查询和分析功能。

2.1 设备层

设备层是利用现场总线网络连接各类现场总线设备。本文以Profibus 为例，从站设备包含DP 和PA 两类通信传输协议，用于同时处理自动化及过程控制。DP 用于连接分布式设备，使得控制系统和分布式I/O 设备之间实现快速周期性的数据交换。PA 用于过程控制，主要应用于传输潜在易爆区的传感器数据，将自动化系统与压力、温度、液位等现场设备进行连接。设备在总线网络中以段的形式连接，一根DP 线连接若干个总线设备，设备段采用通讯冗余设计，在简化现场数据传输线路的同时，也保证了智能设备数字信号传输不受干扰。

图2 数字化预警平台体系结构图Fig.2 Digital early warning platform architecture map

2.2 采集层

采集层包括分析模块（S 模块）、以太网模块（E 模块）及它们内部的软件系统。分析模块采用与Profibus 总线并联的形式，采集模块通过RS485 总线和以太网通信模块连接，以太网模块负责通过TCP 协议向上传输采集信息。模块布置如图3 所示。

2.3 传输层

数据的传输起始于DCS 的总线数据，采用网线和光纤通讯实现，采用光纤网络进行数据的长距离传输，短距离传输采用超五类屏蔽网线。多个网段的信息交汇利用万兆工业以太网交换机实现，使信号传输快速、稳定。

2.4 隔离层

隔离层是为防止外部程序与生产现场进行通讯造成生产故障或事故的预防措施，采用单向隔离网闸实现。在DCS 侧和SIS 侧之间、SIS 侧和应用侧之间均有部署，示意见图1。隔离层只允许生产现场的FCS 设备数据向外传输，不允许外部数据向生产现场传输，极大程度地保证了运行安全稳定性以及数据的准确性。

2.5 数据服务层

数据服务层分为接口机部分和存储服务器部分。接口机部分部署接口软件，主要针对每种协议设备信息的不同定义不同的解析规则，将现场的二进制信息解析成需要的数据类型并与设备参数对应起来以备存储。存储服务器部分负责数据存储，采用实时数据库系统负责数据的存储操作，保证数据的时效性[3]。

图3 采集模块布置示意图Fig.3 Acquisition module layout schematic

2.6 展示层

展示层是直接面向火电厂内部用户的WEB 服务界面。通过友好的界面对数字化预警平台功能进行展示，基础的展示内容包括设备状态监测、数据分析、故障模型、知识库、品牌管理、测点管理、系统管理几个方面。

3 主要功能设计

3.1 状态监测功能

数据监测功能，对单设备级参数的实时数据和历史数据进行实时监测，方便工作人员准确实时远程观察设备运行状况，并能够调取一定时间段的历史数据。状态监测针对于总线网络的通讯状况，以网段拓扑图的形式对控制器、IO 模块、通讯主站卡、光口和光缆、从站设备的运行状态、通讯状态进行集中监测。对从站设备的通讯地址、故障类型、品牌型号信息、各通讯柜物理安装地址、PA 分线盒的物理安装位置及PA 设备接线端子图进行展示。

3.2 故障诊断功能

故障诊断功能，故障诊断分为直接故障诊断和综合故障诊断两类。直接故障诊断是单参数判断，使用休哈特（Shewhart）检验法进行单变量故障预警。依托于故障类型，根据电厂处理故障的需要，一般分为电气故障、通讯故障、电池故障等方面，也可以分为电动设备故障、气动设备故障、马保故障等类型。通过定义故障类型，在报警发生时根据各自的经验判定规则得出相应的故障诊断。

综合故障诊断使用模式识别的方法对设备状态进行相似性建模[4]。通过大量积累的故障数据分析形成针对于某类故障的独特判定模型，通过数据对比的方式发现故障的端倪从而及早处理。维护人员根据报警数据进行重点关注及预防性维护工作，提升设备的可用率。

3.3 知识库功能

现场总线设备众多，设计图纸等重要资料查询困难，故障问题多种多样，需要统一整理和利用，防止重复性工作。由此建立完善的设备档案管理系统和故障解决方案知识库，为设备的技改、检修措施、运行人员的应急处理提供数据支撑。根据设备日常检修维护数据、历史故障信息，建立故障预警、状态检修的逻辑关系，形成故障解决方案知识库，自动生成设备维护列表及维护指导意见，及时地提醒检修人员有针对性地进行设备检修维护工作。但是该功能由于现场设备故障量过大，故障原因冗杂，通常各设备故障存在耦合性，故该功能目前仅作为参考，仅针对典型故障进行记录，从而降低检修人员工作强度。

4 结语

本文从架构和功能方面简述火电厂数据平台应用研究，重点在于构建数字化预警平台进行知识式状态检修。结合FCS 设备对现场运行设备进行状态分析，加强现场和远程检修便利性。目前，数字化信息系统已经可将现场数据实现远程画面显示等基础性工作，利用多种机器学习算法对故障信息进行数据挖掘仍有提升空间。同时，知识库系统、现场与三维可视化结合进行实物展示有很大的发展潜力，是未来的发展趋势。